基于无人机航测的露天矿爆堆形态与延期间隔的研究.pdf
第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.011 基于无人机航测的露天矿爆堆形态 与延期间隔的研究* 李胜林,王宗計环建矿,王永拟 1.中国矿业大学北京力学与建筑工程学院,北京100083; 2.淮安市清江浦区固定资产投资审计中心,淮安223001 ;3,北京金隅北水环保科技有限公司,北京102202 摘要在露天矿爆破工程中,爆破延时对爆堆形态有着重要的彩响。研究爆堆形态特征随爆破延时的变 化规律,可以优化爆破设计方案,便于铲装、运输及破碎等后序工序的进行,提高矿山生产效益。矿山生产中 爆堆形态主要通过爆堆的高度、外形特征等方面进行评价。通过分析爆堆形态是否符合铲装设备生产要求 可评价爆破效果的理想性。选取某露天矿山台阶爆破工程为背景,运用无人机倾斜摄彩测量技术获取矿山 爆堆倾斜影像数据,使用Smart 3D进行三维爆堆模型构建,提取爆堆模型轮廓曲线,研究逐孔起爆时不同延 时下爆堆形态特征,孔间延时23 ms、排间延时50 ms下爆堆评价指标总体优于其他组别,更适用于该矿山爆 破生产。通过Matlab软件选用WeibuU函数进行爆堆形态拟合,得到Weibull函数参数a取值范围为1. 0297 1.2194,0取值范围为 1.1754 1.8040。 关键词爆破延时;无人机航拍;爆堆形态;露天台阶爆破 中图分类号TD235.4 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0070 - 05 Blasting Shape and Delay Interval of Open Pit Mine based on UAV Aerial Survey LI Sheng-lin , WANG Zo ng-r ui1 ,SUN Jian-c heng3, WANG Yo ng-c hao1 1. Sc ho o l o f Mec ha n ic s a n d Civil En gin eer in g, Chin a Un iver sit y o f Min in g a n d Tec hn o l o gy, Beijin g 100083, Chin a ;2. Hu a iza n Qin gjia n gpu Dist r ic t Fix ed Asset s I n vest men t Au d it Cen t er, Hu a iza n 223001, Chin a;3. Beijin g Jin y u Beishu i En vir o n men t a l Pr o t ec t io n Tec hn o l o gy Co . ,Lt d ., Beijin g 102202, Chin a Abstract In open-pit mine blasting, blasting delay time has an important influence on the shape of the blasting pile. The study on the variation law of blasting pile shape characteristics with changing delay time can optimize the blasting design scheme, facilitate the subsequent procedures such as shovel loading, transportation and crushing, and improve the mine production efficiency. The shape of the blasting pile in mine production is mainly uated by the height and shape characteristics of the blasting pile. The ideality of the blasting effect can be uated by analyzing whether the shape of the blasting pile meets the production requirements of shovel loading equipment. Taking a bench blasting project of an open-pit mine, the UAV tilt photogrammetry technology was used to obtain mine blasting pile tilt image data, and built a blasting pile model with smart 3D. The contour curve of blasting pile model was extracted, and the shape characteristics of blasting pile under different delay time were studied. The uation index of blasting pile under the delay time with 23 ms between holes and 50 ms delay between rows was better than those of other groups, which was more suitable for blasting production in the mine. Through MATLAB software, the Weibull function was selected to fit the shape of the explosive heap, and the value range of parameter a of Weibull function was 1.0297 〜1.2194, and the value range of p was 1.1754 〜1. 8040. 第38卷第1期李胜林,王宗睿,孙建成,等 基于无人机航测的露天矿爆堆形态与延期间隔的研究71 Key Words blasting delay time ; UAV aerial photography ; blasting pile shape ; open pit mine 爆破技术广泛应用于矿区开采、房屋拆除、基础 设施建设等多个领域,取得了良好的社会经济效 益⑴。在露天矿山台阶爆破中,良好的爆堆形态有 利于后续铲装工作的顺利进行23]。近年来随着电 子雷管产品的推广与应用,越来越多的露天矿山采 用电子雷管,但爆破网路中延期时间参数大多使用 导爆管雷管的名义延期时间,而导爆管雷管延期时 间允许误差区间一般高过电子雷管一到两个数量 级,这样造成了电子雷管精确延期时间的优势浪费, 甚至爆破效果劣化。因此,应充分运用电子雷管高 精度优势,研究不同爆破延时下爆堆形态特征,确定 矿山电子雷管爆破网路延时具有重要意义。 陈庆凯、赵文龙等以大量试验数据基础为基 础⑷,对不同爆堆分布形态进行了总结分类,并且 应用威布尔模型完成了台阶爆破的爆堆形态模拟。 齐留洋、郭建新等运用威布尔分布函数模型与灰色 关联理论⑸,对影响爆堆分布形态的各因素进行了 相关理论分析与计算,所得结论对后续的爆堆形态 研究有一定的指导意义。本文结合无人机倾斜摄影 测量技术,对北京金隅北水环保科技有限公司凤山 石灰岩矿爆堆进行倾斜影像数据获取与三维爆堆模 型重建,通过电子雷管实现高精度爆破延时控制,研 究不同爆破延时下爆堆的形态特征,确定适用于凤 山矿爆破生产的爆破延时,提高凤山石灰岩矿开采 的经济效益。 1工程概况 凤山石灰岩矿位于北京市昌平区十三陵水库东 侧,矿区采场面积约1 X105 n ,主要生产水泥用石灰 石。根据矿山生产勘探时进行组样品进行试验,测得 各种岩石平均抗压强度为矿石69.1-149.2 MPa 岩安山岩200.1 MPa;夹石泥质条带灰岩48.5 124.7 MPa;矿石硬度10 12 /;夹石硬度5〜13几 凤山石灰石矿采用典型的台阶爆破方案,爆破 网路采用逐孔起爆方案。台阶高度14叫坡面角 80。,钻孔孔径152 mm,垂直钻孔,孔深15.5〜 16.5叫超深1. 5〜2. 5叫第一排平均最小抵抗线 3.5 m,孑L距5 m,其余排孔距6 m,排距3叫单耗为 收稿日期2020-10-05 作者简介李胜林 1977 - ,男,博士、副教授,主要从事岩石爆破理 论与技术研究,E-mail lsl cumtb. edu. cno 基金项目国家自然科学基金51574247、10272109; ;教育部高等学 校博士学科点专项科研基金 006029009;中央高校基本 科研业务专项资金2010QW5 0. 556 k g/m3 2无人机倾斜摄影测量航测方案设计 2.1航测数据获取 试验选取大疆精灵4pr o V2. 0无人机67],执行 飞行任务的无人机如图1所示。根据爆堆形态及无 人机性能,用Al t izu r e App制定飞行计划,导入凤山 矿位置文件,确定具体飞行区域。初步设计飞行高 度为30 m,无人机最大飞行速度6 m/s,航向与旁向 重叠率均设置为85,最短拍照时间间隔为2 so 为消除摄影存在的偏差,航拍前还需在爆堆附近布 置若干个醒目的控制点,起伏大的区域应多布置。 地面标记的控制点要保证在设计飞行高度下航拍, 照片上的控制点保证肉眼可以分辨。然后用MG8 系列手持高精度移动GI S平台确定每个控制点的经 纬度和高程数据,以提高后续建模精度。 图1执行飞行任务的无人机 Fig. 1 Drones on missions 2.2航测数据处理 本文共进行12次航测试验,使用Sma r t 3D软 件处理航测影像数据通过导入具有一定重叠度的航 测影像,进行空中三角测量与模型重建,得到高分辨 率的三维实景模型。下面以某一次试验所得航测数 据为例,航测数据建模结果如图2、图3所示。 3不同爆破延时下爆堆形态特征 3.1不同延时的爆破网路方案 凤山矿台阶爆破充分利用电子雷管精度高、安 全性有保障的技术优势,可以更加精准地确定适用 于凤山矿爆破生产的最佳延时,优化爆堆形态,便于 后续铲装工作的进行,提高矿山生产效益呵。本 72爆破2021年3月 试验采用逐孔起爆的起爆顺序,在逐孔爆破的爆区 网络中,孔间延时主要影响爆区的块度破碎程度,排 间延时主要影响爆区的岩石位移。查阅文献资料及 凤山矿以往的爆破设计方案,初定矿山爆破的孔间 延期时间范围为15 30 ms,排间延时范围是45〜 105 mso在此范围内对电子雷管孔间和排间爆破延 时进行微调,通过控制变量法对比确定合理延时。 试验中孔间、排间延时拟定为18 ms/50 ms、23 ms/ 50 ms、27 ms/50 ms、18 ms/70 ms、23 ms/70 ms、 27 ms/70 ms共6种情况,每种情况重复2次,共进 行12次试验。下面以其中一组爆破设计方案为例, 炮孔位置平面图和网路连接图如图4、图5所示。 图5网路连接图 Fig. 5 Blasting network connection 图2爆堆模型整体效果图 Fig. 2 Overall effect of the blasting muckpile model 3.2爆堆特征轮廓曲线提取与分析 将爆破后由航测影像所建的爆堆三维模型放大 至合适比例,调整局部爆堆模型使其与电脑屏幕平 行,确保图像上下左右的岩石尺寸比例一致。在每 一个爆堆三维模型中,提取若干组同一 坐标下的 爆堆轮廓坐标数据,进行相对坐标换算与线性拟合 回归,可得到爆堆特征轮廓曲线图。把12组数据分 为两份,爆堆轮廓曲线如图6和图7所示。 卫悝 * 醱 图6第一组轮廓曲线对比图 图3爆堆模型局部效果图 Fig. 3 Partial effect situ of the blasting muckpile model 6 Comparison of the first group of contour curves 图7第二组轮廓曲线对比图 Fig. 7 Comparison of the second group of contour curves 1 C2 c3 。4 c5 6 c7 C8 C9 c10 oil C12 。13 o14 o15 o16 图4炮孔位置平面图 Fig. 4 Borehole position layout 图7中,01a、06a爆堆为漏斗形爆堆,爆堆整体 坡度较大;02a 05a爆堆近似于马鞍形,爆堆形态 较为相似,02a爆堆的爆堆高度略低于其他组别,爆 堆坡面角略低于其他组别,02a爆堆形态相对更有 利于后续铲装工序的进行。图8中01b爆堆为漏斗 形爆堆,01b爆堆整体坡面角为图中最大的一组; 026〜06b爆堆近似于马鞍形,但06b爆堆整体坡度 明显高于其它组别;026-056爆堆坡面角较为相 第38卷第1期李胜林,王宗睿,孙建成,等 基于无人机航测的露天矿爆堆形态与延期间隔的研究73 似,02b爆堆高度较低有利于后续铲装工序的进行。 因此,从爆堆形态方面,建议采用孔间延时23 ms, 排间延时50 ms作为凤山矿爆破生产所用延时。 3. 3基于Weibu l l分布函数的爆堆形态模拟 Weibu l l模型广泛地用于处理各种随机现象的 数量性表征,其力学基础是质量守恒定律⑸。 由质量守恒定律可知,爆破前后岩体质量不变 [phhxd x Sopq 1 式中Pq、Ph分别为爆破前、后的岩石密度, k g/m3 为在x轴上爆堆高度,m;So为待爆岩体 的台阶剖面面积,n ;加为岩块最远抛掷距离,m。 将式1无量纲化,可得 plm Jo HXd X 1 2 HX 式中X 吉⑴卡討肿吉,[仏, JJS。 JJ[S。 Pq 孑为岩石松散系数。 取HX为Weibu l l分布的概率密度函数 r 0 ,X 或X1。若Q 与0选择合理的话,HX在Lm处变化很小,那么上 式可写成 1 4 J _ 8 本次模拟对象为凤山石灰岩矿爆破生产中的 12个特征剖面。 所选取的每组数据主要包含原始设计参数、实 测参数及模拟结果3个部分。原始设计参数台阶 高度孔距Q,排距6,最小抵抗线单耗g,台阶 坡面角Q,原始设计参数在工程概况中已作介绍。 爆后实测结果松散系数g,最远抛距Lm,爆堆各点 坐标P,y o模拟结果Weibu l l分布函数模型形 状参数30。 采用Weibu l l分布函数数学模型手段来模拟爆 堆分布形态,其中主要困难的部分就是值的选 取。本次模拟主要采用最小二乘法对实测爆堆形态 曲线进行拟合,目标函数为Weibu l l分布函数,通过 使用Ma t l a b软件拟合曲线,即可得到相应的40 值,将统计结果和计算结果列入表1。 表1 Weibu l l分布模型爆堆模拟结果统计表 Ta bl e 1 St a t ist ic a l t a bl e o f simu l a t io n r esu l t s o f ex pl o sio n wit h Weibu l l d ist r ibu t io n mo d el 编号H/m Lrn/m I a P Ola12. 4742. 191. 1151. 10781. 1754 01611.4238. 821.0781. 02971.2531 02a10. 7452. 861.3091. 40231. 4625 02b11.0842. 491. 1861. 05381. 4084 03 a11.5550. 061.3401.08311. 3703 03612. 5841.701.2311. 16921. 8040 04a10. 8249. 001.3791.21941. 6291 04b13.6348. 701.2841. 11501. 3553 05 a11. 1947. 281.2621. 06771. 5476 05b12. 6939. 921.2321. 17711. 6944 06a12. 4839. 541.2781.09131. 2146 06b12.5345.701.4391.12531.4239 将所得结果带入到Weibu l l分布数学函数中, 进而可以得到Weibu l l函数模拟曲线图,并与实测 爆堆形态曲线进行对比分析,以孔间延时18ms,排 间延时50ms下的Ol a爆堆为例,对比结果图如图8 所示,由图可以看出Weibu l l分布函数模型能够比 较好的拟合爆堆形态,是一种较好的模拟爆堆形态 的方式。 图8 Weibi山拟合形态曲线与爆堆实测形态曲线对比 Fig. 8 Comparison of Weibull fitting shape curve with measured one 4结论 通过无人机倾斜摄影测量技术,对凤山石灰岩 矿爆堆进行倾斜影像数据获取与三维爆堆模型重 建,通过电子雷管实现高精度起爆时序控制,研究不 同爆破延时下爆堆形态特征,确定适用于凤山矿爆 破生产的爆破延时。研究结论如下 1通过现场试验实测及矿区三维模型构建表 明可以通过无人机倾斜摄影技术进行露天矿航测数 74爆破2021年3月 据的采集工作,航测数据能够在露天矿生产中得到 有效的应用。 2 使用爆堆的高度、爆堆形坡面角评价指标 对爆破效果进行评价,孔间延时23ms、排间延时 50 ms下爆堆评价指标总体优于其他组别,更适用 于凤山矿爆破生产。 3 通过12组爆堆实测形态曲线,可获知每个 爆堆的形态特征,最远抛掷距离范围在3 82 52.86 m,采用Weibu l l分布函数拟合爆堆轮廓曲 线,并与爆堆实测形态曲线对比可知,Weibu l l分布 曲线模型能够比较好的拟合爆堆形态。Weibu l l函 数参数a取值范围为1. 0297 1. 2194,0取值范围 为1.1754 1.8040。 参考文献References [1] 冷振东,刘 亮,周旺潇,等.起爆位置对台阶爆破爆 堆形态影响的离散元分析[J].爆破,2018,35250- 55,100. 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